一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统论文和设计-刘雪阳

全文摘要

本实用新型公开了的一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，包括预设数量的监测子节点和与监测子节点通信连接的阿里云服务器；单个监测子节点包括微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块和太阳能供电模块，微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块和4G通信模块均连接太阳能供电模块，由太阳能供电模块为整个监测子节点各模块提供电源；且摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块和太阳能供电模块均连接微处理器；本实用新型结构简单，具有良好的推广应用价值。

主设计要求

1.一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，其特征在于，所述监测系统包括预设数量的监测子节点和与所述监测子节点通信连接的阿里云服务器；单个所述监测子节点包括微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块以及太阳能供电模块，所述微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块和4G通信模块均连接所述太阳能供电模块，由所述太阳能供电模块为整个所述监测子节点各模块提供电源；且所述摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块和太阳能供电模块均连接所述微处理器；其中：所述微处理器用于所述监测子节点的控制中心；所述摄像头模块用于采集河塘的水面图像信息并传输至所述微处理器存储，且通过所述结果显示模块实时显示监测画面；所述GPS定位模块用于定位所述监测子节点的位置信息并传递至所述微处理器，所述微处理器将所述位置信息和水面图像信息经由所述4G无线通信模块传递至阿里云服务器，所述阿里云服务器用于对所述位置信息和水面图像信息解析还原得到河塘水面图像和位置，并发送解析结果至所述微处理器，所述微处理器响应于所述解析结果控制所述报警模块的开启或闭合；所述SD卡模块用于所述监测子节点的数据备份；所述光强传感器用于采集所述监测子节点周围环境的光强值并将所述光强值传递至所述微处理器，所述微处理器响应于所述光强值控制所述照明模块的开启或闭合。

设计方案

所述微处理器用于所述监测子节点的控制中心；所述摄像头模块用于采集河塘的水面图像信息并传输至所述微处理器存储，且通过所述结果显示模块实时显示监测画面；所述GPS定位模块用于定位所述监测子节点的位置信息并传递至所述微处理器，所述微处理器将所述位置信息和水面图像信息经由所述4G无线通信模块传递至阿里云服务器，所述阿里云服务器用于对所述位置信息和水面图像信息解析还原得到河塘水面图像和位置，并发送解析结果至所述微处理器，所述微处理器响应于所述解析结果控制所述报警模块的开启或闭合；

所述SD卡模块用于所述监测子节点的数据备份；所述光强传感器用于采集所述监测子节点周围环境的光强值并将所述光强值传递至所述微处理器，所述微处理器响应于所述光强值控制所述照明模块的开启或闭合。

2.根据权利要求1所述的基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，其特征在于，所述太阳能供电模块包括用于采集太阳能的太阳能电池板，与所述太阳能电池板连接的太阳能充放电电路，以及与所述太阳能充放电电路连接的用于存储电能的储能电池，所述储能电池的输出端设置有分压电路，用于为所述监测子节点的各模块分配指定大小电压。

3.根据权利要求1所述的基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，其特征在于，所述阿里云服务器还连接一用于显示所述阿里云服务器的所述解析结果对应的河塘画面的显示器。

4.根据权利要求3所述的基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，其特征在于，所述解析结果基于卷积神经网络的深度学习得到。

5.根据权利要求1所述的基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，其特征在于，所述SD卡模块内设置有一用于数据存储的SD卡，所述SD卡采用SPI方式连接所述微处理器，实现数据交互。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于河塘溺水情况监测领域，尤其涉及一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统。

背景技术

随着物质生活水平的提高，人们体育运动意识的不断增强，游泳也越来越受到人们的欢迎。目前，城市人民主要的游泳场所一般是游泳馆，但游泳馆收费通常较高且限时开放，且游泳馆的数量无法完全满足游泳人数日益增长的需求，因此有一部分人还是会选择河流、池塘和水库等区域游泳。此外，在大多数农村和偏远地区，游泳馆等配套实施并不完善，人们游泳的地点主要还是这些河流、池塘和水库。然而这些河流、池塘和水库区域通常是无人看守的，因此在游泳过程中，人们如果出现突发情况往往会得不到及时的救助，溺水现象则时有发生，特别是每年暑假都会出现大量儿童溺水死亡的事件，据不完全统计，在中国，溺水已成为1-14岁儿童伤害死亡的主要原因。为了有效减少这类溺水情况的发生，市场急需一种可靠、稳定的河塘溺水监测系统。

对于河塘溺水监测系统的实现，有很多种方法。邹旭、王廷军等人提出了一种泳池防溺水监测系统(CN 201710483672.6)，该装置设有泳帽和监控终端；泳帽上设有设有压力监测装置、单片机和zigbee通讯芯片，压力监测装置包括按压模组和传感器模块，单片机包括计时器和控制器；若传感器模块承受的压力超过预设水压阈值或按压模组受到外部按压时，控制器驱动 zigbee模块发送包含位置信息的求救信号至监控终端。这种系统在当现人员在潜水时，容易出现误判，同时zigbee通信组网区域较小，无法实现多区域大面积联合监控。王世通、李楷等人也提出了一种泳池防溺水监测系统(CN 201820177765.6)，包括数据处理模块、报警设备和至少一个用户端，用户端包括至少两个溺水检测模块和溺水信号发射模块，溺水检测模块包括设置在用户头部的第一溺水检测模块和设置在用户身体上的第二溺水检测模块；数据处理模块包括用于接收溺水信号发射模块发送的溺水信号的溺水信号接收模块和判断模块，判断模块用于判断溺水信号等级并向报警设备发送对应等级的报警信号。种装置具有结构复杂、成本较高、无法组网监控、不适用于河塘溺水情况的监控。因此设计出一套结构简单，稳定可靠，并适用于多区域监测的河塘溺水情况监测系统将会有很大市场前景。

实用新型内容

针对上述现有技术中的防溺水监测系统对溺水情况判别容易出错、成本高的问题，本实用新型于提出一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，具体技术方案如下：

一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，所述监测系统包括预设数量的监测子节点和与所述监测子节点通信连接的阿里云服务器；单个所述监测子节点包括微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块以及太阳能供电模块，所述微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、 GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块和4G通信模块均连接所述太阳能供电模块，由所述太阳能供电模块为整个所述监测子节点各模块提供电源；且所述摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块和太阳能供电模块均连接所述微处理器；其中：

进一步的，所述太阳能供电模块包括用于采集太阳能的太阳能电池板，与所述太阳能电池板连接的太阳能充放电电路，以及与所述太阳能充放电电路连接的用于存储电能的储能电池，所述储能电池的输出端设置有分压电路，用于为所述监测子节点的各模块分配指定大小电压。

进一步的，所述阿里云服务器还连接一用于显示所述阿里云服务器的所述解析结果对应的河塘画面的显示器。

进一步的，所述解析结果基于卷积神经网络的深度学习得到。

进一步的，所述SD卡模块内设置有一用于数据存储的SD卡，所述SD 卡采用SPI方式连接所述微处理器，实现数据交互。

与现有技术相比，本实用新型的基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统的有益效果体现为：首先微处理器驱动摄像头模块采集河塘水面图像信息，并存储在微处理器内部的RAM区域中；微处理器接收GPS定位模块的信息并解析当前的位置，连同缓存在RAM区域中的河塘水面图像一起通过 4G无线通信模块传输到阿里云服务器上；阿里云服务器对接受到的数据进行解析，还原河塘水面图像和河塘位置信息并进行界面显示，同时利用训练好的深度学习网络对河塘水面图像进行识别，判断是否有溺水情况发生；如有溺水情况发生阿里云服务器则发送溺水发生信号给对应的监测子节点，监测子节点接受到溺水信号则驱动报警模块进行报警；为了便于夜晚搜救人员对溺水人员的搜救，微处理器会根据光强传感器采集到的光强值自动打开照明模块进行照明；同时每个子节点监测的所有数据会备份到本地SD卡模块中，监测情况也会实时的显示在监测子节点的结果显示模块上；本实用性每个子节点供电系统利用太阳能给电池充电，然后分压给各个模块供电；本实用新型具有成本低、适用性广，可通过组网的方式对多个地点进行实时监测，实用价值高。

附图说明

图1为本实用新型实施例单个所述监测子节点的机构框图示意；

图2为本实用新型实施例所述监测系统的结构图示意；

图3为本实用新型实施例中所述摄像头模块与微处理器以及结果显示模块的连接图示意；

图4为本实用新型实施例中所述光强传感器模块硬件连接原理图示意；

图5为本实用新型实施例中所述GPS定位模块硬件连接原理图示意；

图6为本实用新型实施例中所述SD卡模块硬件连接原理图示意；

图7为本实用新型实施例中所述4G无线通信模块硬件连接原理图示意；

图8为本实用新型实施例中所述照明模块和报警模块的硬件连接原理图示意；

图9(a)～9(d)为本实用新型实施例中所述太阳能充放电模块的硬件连接原理图示意。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图2，在本实用新型实施例中，提供了一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统，所述监测系统包括预设数量的监测子节点和与监测子节点通信连接的阿里云服务器；结合图1，在本实用新型中，单个监测子节点包括微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块以及太阳能供电模块，且微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块和4G通信模块均连接太阳能供电模块，由太阳能供电模块为整个监测子节点各模块提供电源；且摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块和太阳能供电模块均连接微处理器；具体的，微处理器用于监测子节点的控制中心；摄像头模块用于采集河塘的水面图像信息并传输至微处理器存储，且通过结果显示模块实时显示监测画面；GPS定位模块用于定位监测子节点的位置信息并传递至微处理器，微处理器将位置信息和水面图像信息经由4G无线通信模块传递至阿里云服务器，阿里云服务器用于对位置信息和水面图像信息解析还原得到河塘水面图像和位置，并发送解析结果至微处理器，微处理器响应于解析结果控制报警模块的开启或闭合，即若解析得到溺水情况的发生，则开启报警模块，否则，闭合报警模块；SD卡模块用于监测子节点的数据备份；光强传感器用于采集监测子节点周围环境的光强值并将光强值传递至微处理器，微处理器响应于光强值控制照明模块的开启或闭合，一般的，在白天光照比较强的情况下，控制照明模块处于闭合状态；而如果在傍晚光照降低或者夜晚情况下，此时，微处理器启动控制照明模块，这样可以方便摄像头模块对水面情况进行有效、清晰的画面采集，便于了解水面具体情况。

优选的，本实用新型中的微处理器的核心芯片采用低成本高性能的STM32F407ZGT6芯片，当然，此仅为本实用新型的较佳实施例，并不用来限制或固定在本实用新型的其他实施例中微处理器的选择。

参阅图3，优选的，本实用新型中摄像头模块采用OV7670摄像头，具体的，OV7670摄像头通过太阳能电池模块变压后由+5V大小电源供电，OV7670 摄像头的VCC管脚接+5V，GND管脚接地，OV7670摄像头的数据引脚D0 到D7分别与STM32F103ZET6芯片的PC0到PC7引脚相连，可通过该引脚输出采集到的河塘水面图像数据；SDA和SDL为SCCB接口的串行数据输入端口和时钟控制端口，分别与微处理器STM32F103ZET6芯片的PG13和PD3 相连，微处理器通过SCCB协议对OV7670摄像头进行配置；OE端为FIFO 缓存的关断引脚，与微处理器上面的PG15相连，当OE被置高时，FIFO缓存使能，反之FIFO被禁用；VSYNC为摄像头的帧同步信号输出端口，与 STM32F103ZET6芯片的PA8引脚相连，每当一帧图像采集完成送入FIFO中时，此引脚便会产生由低到高的电平跳变，从而通知微处理器将所采集的一帧图像读走；WRST为摄像头FIFO的读写控制端，与STM32F103ZET6芯片的PD6相连，当该引脚为高电平时表明可以向摄像头内部寄存器中写数据，为低电平时表明可以从内部寄存器中读数据；RCLK为FIFO的读取时序控制端，为从摄像头中读取图像数据提供时序，此引脚与微处理器STM32F103ZET6芯片的PB4管脚相连；WEN和RRST引脚分别为FIFO的写控制端和复位控制端口，分别与微处理器的PB3和PG14引脚相连。

此外，本实用新型中的结果显示模块优先采用TFT彩屏显示，TFT彩屏通过太阳能电池模块变压后由+5V电源供电，其VCC管脚接+5V，GND管脚接地，其数据管脚DB0和DB1分别与STM32F103ZET6芯片的PD14和PD15 相连，DB2和DB3分别与其PD0和PD1管脚相连，DB4到DB12分别连接 STM32F103ZET6芯片的PE7到PE15管脚，DB13、DB14、DB15分别连接PD8、PD9、PD10三个引脚，通过这些数据管脚处理器可向TFT彩屏写入或读取数据；CS为片选信号管脚，该管脚为高电平时，TFT彩屏被使能，为低电平时，TFT彩屏被禁用，该管脚与STM32F103ZET6芯片的PG12管脚相连； RS端为数据\/命令控制端，与STM32F103ZET6芯片的PG0相连，当为低电平时，TFT彩屏被设置为命令模式，为高电平时，TFT彩屏被设置为数据模式；RD和WR引脚分别为TFT彩屏的读写控制管脚，分别与STM32F103ZET6 芯片的PD4和PD5引脚连接；RST为TFT彩屏的复位信号，同 STM32F103ZET6芯片的NRST脚相连。

参阅图4，本实用新型实施例中，光强传感器优选采用B_LUX_V30光强传感器，B_LUX_V30光强传感器通过太阳能供电模块变压后由+3.3V电源供电，其VCC管脚接+3.3V，GND管脚接地，EN为传感器使能管脚，悬空，高电平有效。微处理器通过I2C协议对该传感器进行配置和数据读写，其中 SCL为I2C通信的时钟管脚，与STM32F103ZET6芯片的PG8管脚相连；SDA 为I2C通信的数据传输管脚，与STM32F103ZET6芯片的PG11管脚相连。

参阅图5，在本实用新型实施例中，GPS定位模块采用NS-1613元件； NS-1613元件通过太阳能供电模块变压后由+3.3V电源供电，其VCC管脚接 +3.3V，GND管脚接地。其通过串口通信与外部设备进行通信，RXD管脚为串行通信的接收引脚，用来接收微处理器发送给NS-1613的指令，TXD管脚为串行通信的发送管脚，用来将当前的经纬度等位置信息发送出去，PPS为时钟脉冲输出引脚；GPS定位模块的RXD和TXD引脚分别与 STM32F103ZET6芯片的PB10和PB11引脚相连。

参阅图6，在本实用新型实施例中，还设置有SD卡模块来对各监测子节点的监测数据进行备份；具体的，SD卡模块通过太阳能电池模块变压后由 +3.3V供电，其VDD管脚接+3.3V，VSS管脚接地；优选的，本实施例中， SD卡采用SPI方式与STM32F103ZET6芯片进行通信，MISO，MOSI端分别为SPI接口的输出和输入端口，分别与STM32F103ZET6芯片的PB14和PB15 管脚相连；SCK端用于SPI时钟，与STM32F103ZET6芯片的PB12管脚相连，用于给SPI通信提供时钟信号，SD_CS为片选信号，高电平有效，它与 STM32F103ZET6芯片的PD2管脚相连。

参阅图7，在本实用新型实施例中，4G无线通信模块优选采用 USR-LTE-7S4芯片，4G无线通信模块通过太阳能供电模块变压后由+8V供电，其VIN管脚接+8V，GND管脚接地；并通过串口通信与微处理器进行通信， UART1_RXD为串口接收端口，用来接收来自STM32F103ZET6芯片的指令和数据，UART1_TXD为串口发送端口，用来将缓存区域的数据发送给 STM32F103ZET6芯片进行处理，UART1_RXD和UART1_TXD分别与 STM32F103ZET6芯片的PA2和PA3管脚相连。

参阅图8，在本实用新型实施例中，照明模块采用LED进行照明，该部分包含以限流电阻R1和LED灯，具体的，LED灯的开关通过STM32F103ZET6 芯片的管脚PA10控制；报警模块采用蜂鸣器实现，该部分包含一个蜂鸣器 BEEP和三极管Q1，通过STM32F103ZET6芯片的管脚PA11控制报警模块的工作，当IO为高电平时，三极管Q1断开，蜂鸣器不工作，当IO为低电平时，三极管Q1连通，蜂鸣器报警。

参阅图9(a)～9(b)，在本实用新型实施例中，太阳能供电模块包括用于采集太阳能的太阳能电池板，与太阳能电池板连接的用于将太阳能转换成电能的太阳能充放电电路，以及与太阳能充放电电路连接的用于存储电能的储能电池，且在储能电池的输出端设置有分压电路，用于为监测子节点的各模块分配指定大小电压；结合图9(a)，Solar为太阳能电池板的电压输入端口，管脚Vbat为给储能电池充电端口；然后将储能电池中的电能分压给各个模块供电，优选的，储能电源采用三个18650可充电储能电池串联而成，额定电压为3.7V，每个电池容量为2900毫安；结合图9(b)，三个串联的储能电池输出电压接入稳压芯片MP2359中，可得到+5V的电压，分别给摄像头模块和GPS 定位模块供电；结合图9(c)，稳压芯片MP2359输出的+5V再经稳压芯片 AMS1117-3.3V可得到+3.3V电压，分别给微处理器、光强传感器模块、SD 卡和照明模块供电；结合图9(d)，4G无线通信模块的+8V电压由三个串联储能电池输出电压经芯片LM25965稳压得到；优选的，本实用新型中储能电池采用具有储电量大且安全的锂电池。

上述中关于微处理器、摄像头模块、光强传感器、报警模块、照明模块、 GPS定位模块、结果显示模块、SD卡模块、4G通信模块以及太阳能供电模块的优选项均为了说明本实用新型，并不用来限制和固定本实用新型的保护范围，具体可根据实际情况进行选择具有相同功能和效果的其他器件。

在本实用新型实施例中，阿里云服务器还连接用于显示阿里云服务器的解析结果对应的河塘画面的显示器，通过显示器可以直观清晰地对河塘画面进行观测，便于根据实际的情况采取对应的营救应对措施；其中，本实用新型中，阿里云服务器对摄像头模块采集得到的水面图像信息和GPS定位模块得到的位置信息的解析，并将水面图像送入训练好的卷积神经网络进行识别，从而判断是否有溺水情况发生；优选的，本实施例采用VGG16网络作为卷积神经网络对水面图像做卷积神经操作，获取得到相对应所述水面图像的信息的位置信息；且采用VGG16网络作卷积神经网络仅为本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型方案的限制和固定。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，但并不限制本实用新型的专利范围，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本实用新型说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型专利保护范围之内。

设计图

一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统论文和设计

一种基于4G无线传感网络的河塘溺水情况监测系统论文和设计-刘雪阳

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主设计要求

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